Messanordnung und Verfahren für das Erkennen einer Wechsel - Spannung als Schienenpotential bei Gleichstrombahnsystemen und Anwendung der Messanordnung

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung und ein Verfahren für das Erkennen einer WechselSpannung als Schienenpotential bei Gleichstrombahnsystemen sowie eine Anwendung der Messan- Ordnung.

Gemäß der Europäischen Norm EN 50122-1:2010 sind unzulässig hohe Berührungsspannungen an Gleisanlagen, insbesondere unzulässig hohe Schienenpotentiale zwischen Schiene und Erde, zu vermeiden (vgl. EN 50122-1:2010 Kapitel 9 ab Seite 58 ff.).

Bei Gleichstrombahnen treten aufgrund der gegen Erde isolierten Schienen während des Bahnbetriebs und insbesondere im Fehlerfall Spannungen zwischen Schienen und Erde auf, die als Berührungsspannung abgegriffen werden können.

Eine Maßnahme zur Verringerung der Gefahren durch Berührungsspannungen ist es, Spannungsbegrenzungseinrichten - auch Vol- tage Limiting Devices (VLD) genannt - einzusetzen. Eine solche Spannungsbegrenzungseinrichtung besitzt einen hohen Wi- derstand, wenn die angelegte Spannung niedrig ist und wird leitfähig, wenn ein vorher festgelegter Spannungshöchstwert überschritten wird. Hierdurch kann die unzulässig hohe Spannung abgebaut werden (vgl. EN 50122-1:2010 Anhang F auf Seite 79) . Viele Spannungsbegrenzungseinrichten lösen diese Aufgabe dadurch, dass die Potentialdifferenz zwischen Schiene und Erde überwacht wird. Überschreitet sie die in der Norm bzw. vom Betreiber festgelegten Grenzwerte, wird sie dadurch begrenzt, dass Schiene und Erde über eine Schalteinrichtung kurzgeschlossen werden.

Eine Spannungsbegrenzungseinrichtung mit Kurzschließer für Gleichstrombahnanlagen gemäß des Oberbegriffs der Erfindung ist aus der Betriebsanleitung für das Produkt SITRAS SCD Ver- sion 3.0.0 der Siemens AG bekannt. Diese Spannungsbegren- zungseinrichtung ist dafür vorgesehen, bei Auftreten unzulässig hoher Berührungsspannungen automatisch die Rückleitung (die Schiene) und die Erde kurzzuschließen; anschließend wird die leitende Verbindung zwischen Schiene und Erde wieder getrennt. Die Schalteinrichtung ist dabei als sogenannte Hyb- rid-Schalteinrichtung aufgebaut. Sie besteht aus einem Leistungshalbleiter (Thyristor) und einem Leistungsschütz. Der Thyristor ist wirksam bei schnell ansteigenden und hohen Spannungen und das Leistungsschütz (ein steuerbarer Schalter) reagiert bei langsamer ansteigenden und niedrigen Spannungen. Das Schalten des Leistungsschütz wird üblicherweise von einer Steuerung übernommen, welche in einem Zeitraster von 1 ms bis 10 ms die Spannung misst und entsprechend reagiert. Die schnelleren Vorgänge werden von einer diskreten elektronischen Schaltung (Zündelektronik) zur Zündung der Thyristoren gesteuert .

Da das System „isolierte Schiene" traditionell nur Gleich- strombahnen betrifft, wurde in früheren Anlagen nur die

Gleichspannung betrachtet. Gemäß der Europäischen Norm EN 50122-3:2010 sind bei der Vermeidung von unzulässig hohen Berührungsspannungen jedoch auch Mischspannungen mit Wechsel - spannungsanteilen und Gleichstromanteilen zu betrachten. Sol- che Mischspannungen können beispielsweise auftreten, wenn

Gleich- und Wechselspannungsbahnen parallel oder in räumlicher Nähe zueinander liegen. Typisch hierfür sind z. B. die S-Bahn in Berlin und Hamburg, die teilweise auf derselben Trasse fahren wie die Fernbahn aber auch U-Bahnen, welche im Tunnel Fernbahnen kreuzen (Nürnberg Hbf., Nürnberg Rothenburger Straße) . Solchenfalls kann z.B. in die elektrischen Anlagen der Gleichstrombahn eine WechselSpannung induziert werden . Dabei tritt gelegentlich eine so hohe WechselSpannung im

Schienenpotential auf, dass diese durch die Zündelektronik erkannt wird und die Thyristoren automatisch gezündet werden. Durch das quasi sofortige Zünden der Thyristoren wird diese WechselSpannung kurzgeschlossen und ist für Steuerung nicht mehr messbar. Entsprechend reagiert diese auch nicht mit einem Schließen des Leistungsschützes. Da der Thyristor bauartbedingt beim Nulldurchgang der WechselSpannung wieder sperrt, entsteht ein sich periodisch wiederholendes Signal mit Spitzenspannung in der Höhe der AuslöseSpannung der Zündelektronik .

Ist die auftretende unbeeinflusste WechselSpannung deutlich höher als die AuslöseSpannung der Zündelektronik, entsteht aufgrund der Thyristorzündung eine periodische Wechselspannung mit sehr kurzen Spannungsspitzen in der Höhe der Auslösespannung. Diese sehr kurzen Spannungsspitzen können von einer herkömmlichen Spannungsbegrenzungseinrichtung nicht er- kannt werden und somit kein Schließen des Leistungsschützes auslösen. Diese im Schienpotential auftretenden kurzen Spannungsspitzen sind insbesondere problematisch, wenn wie üblich die Höhe der Zündspannung größer als 120 Volt ist und die für solch hohe Berührungsspannungen in der Norm als maximal zu- lässig definierte Zeitdauer dieser Berührungsspannung überschritten ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Messanordnung für das Erkennen einer WechselSpannung im Schienenpotential bei

Gleichstrombahnsystemen bereit zu stellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messanordnung gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Bei der erfindungsgemäßen Messanordnung sorgt das Aufladen der Speichereinrichtung dafür, dass die kurzen, periodisch auftretenden Spannungsspitzen in länger andauernde oder dauernd bestehende Gleichspannungssignale umgewandelt werden. Diese Gleichspannungssignale können von einer im Stand der Technik für Gleichstrombahnsysteme bekannten Auswerteeinrichtung mit einer üblichen Abtastrate von 1 ms (entsprechend 1 kHz) ausgewertet werden, um die Wechselspannung zu erkennen. Eine Auslösung des Leistungsschützes und damit eine nachhaltige Begrenzung der noch anliegenden Spannungsspitzen durch die Steuerung kann erfolgen. In bisher üblichen Spannungsbegrenzungseinrichtungen gibt es keine Möglichkeit, dieses periodische Signal zu erkennen und durch Schließen des Leistungsschützes nachhaltig abzuschal- ten. Die bei Gleichstrom angewandte Methode der Strommessung - ein durch die Spannungsbegrenzungseinrichtung fließender Strom gilt bei geöffnetem Leistungsschütz als Indiz für die Zündung der Thyristoren - ist bei WechselSpannung nicht immer gegeben bzw. erst ab einem bestimmten Stromwert möglich.

Sollte das Wechselspannungspotential induktiv eingekoppelt sein, reicht dessen Leistung nicht unbedingt aus, um einen mit der üblicherweise vorhandenen Messtechnik messbaren Strom zu erzeugen. Eventuell kann die Zündung der Thyristoren auch bei WechselSpannung über Strommessung erkannt werden. Das Problem dabei ist, dass der Messbereich (Skalenendwert) aufgrund der sehr hohen Stromtragfähigkeit der Spannungsbegren- zungseinrichtung von mehr als 20 kA auch bei der Strommessung relativ groß ist - in der Regel größer als 1000 A. Bei einer üblichen Messgenauigkeit von 1 % lassen sich geringe, induk- tiv eingekoppelte - Ströme von weniger als 10 A nicht mehr zuverlässig messen.

Es ist daher ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, dass eine herkömmliche Steuerung mit einer Abtastrate von 1 ms ge- nutzt werden kann, weil mittels der zusätzlichen einfachen Speichereinrichtung ein detektierbares , relativ lang andauerndes Gleichspannungssignal erzeugt wird. Die Verwendung herkömmlicher Steuerungsbaugruppen für den Leistungsschütz ist besonders kostengünstig und im Stand der Technik lang er- probt. Ein Einsatz von speziellen Steuerungsbaugruppen und aufwendigen Messbaugruppen mit Messraten im μ3-ΒθΓθϊ<-:η wird vermieden .

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung weist die Messanordnung einen Trennverstärker auf. Die Verwendung eines Trennverstärkers ist vorteilhaft, weil der Trennverstärker die dem Trennverstärker nachgeordneten Bauteile galvanisch von der Verbindung zwischen Schiene und Erde trennt bzw. entkoppelt. In einer Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform verstärkt der Trennverstärker die WechselSpannung, was das Erkennen der WechselSpannung erleichtert .

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Messanordnung weist die Messanordnung eine Überspan- nungsbeschaltung mit invers-parallelen (gegenläufig ausgerichteten) Dioden oder Varistoren auf. Diese Alternative zur Verwendung eines Trennverstärkers ist vorteilhaft, weil sie besonders kostengünstig ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung weist die Gleichrichtungseinrichtung Dioden auf. Diese Ausgestaltung der Gleichrichtungseinrichtung als Diodengleichrichter ist von Vorteil, weil sie weit verbreitet und kostengünstig ist. Insbesondere ist die Verwendung von speziellen Dioden mit sehr niedriger Durchlassspannung, beispielsweise Schottkydioden, vorteilhaft, weil mit solchen speziellen Dioden Wechselspannungsamplituden mit niedrigem Pegel ohne wesentlichen Spannungsabfall gespeichert werden können.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfin- dungsgemäßen Messanordnung weist die Speichereinrichtung einen Kondensator auf. Ein Kondensator ist besonders gut dafür geeignet, die kurzen, periodisch auftretenden Spannungsspitzen in länger andauernde Spannungssignale umzuwandeln. Dabei sollte die Kapazität des Kondensators so auf die in der

Schaltung verwendeten Widerstände abgestimmt sein, dass die Speichereinrichtung im Frequenzbereich der WechselSpannung von Bahnstromanlagen zuverlässig arbeitet. Dieser Frequenzbereich erstreckt sich beispielsweise zwischen 10 Hz und 100 Hz, insbesondere zwischen 16,7 Hz und 60 Hz.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung ist das mindestens eine schaltbare Halbleiterelement ein invers-paralleles Thyristo- renpaar. Die Thyristoren werden jeweils leitend geschaltet, sobald an ihrem Gate eine ausreichende Zündspannung anliegt. Diese Zündspannung ergibt sich, wenn an einer mit dem Gate verbundene Diode eine entsprechende Spannung anliegt. Thy- ristoren werden bei herkömmlichen Messanordnungen in Gleichstrombahnsystem eingesetzt, um Schiene und Erde elektrisch zu trennen und trotzdem einen sicheren Abbau des Schienenpotentials bei Überschreiten der Zündspannung der Thyristoren zu gewährleisten .

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Messanordnung ist die Auswerteeinrichtung dafür geeignet, die Amplitude der WechselSpannung zu bestimmen. Dies ist von Vorteil, weil auf diese Weise auch quantitative In- formationen über das auf eine WechselSpannung zurückgehende Schienenpotential bestimmt werden können.

Weiterhin ist ein Verfahren gemäß Anspruch 8 Gegenstand der Erfindung. Es ergeben sich für das erfindungsgemäße Verfahren sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für die erfindungsgemäße Messanordnung geschildert. Aus den Unteransprüchen 9 bis 14 ergeben sich Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit sinngemäß den gleichen Vorteilen wie für die erfindungsgemäße Messanordnung beschrieben.

Darüber hinaus ist auch die Anwendung der Messordnung nach Anspruch 15 Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Es ergeben sich für die erfindungsgemäße Anwendung der Messanordnung sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs geschildert.

Zur Erläuterung der Erfindung zeigen

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messanordnung und

Figur 2 ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messanordnung und Figur 3 einen Spannungsverlauf einer WechselSpannung, die durch das Zünden der Thyristorenanordnung gemäß Figur 1 periodisch auftretende Spannungsspitzen erzeugt und

Figur 4 einen Spannungsverlauf, bei dem die periodisch auftretenden Spannungsspitzen aus Figur 3 durch Verwendung der Messanordnung gemäß Figur 1 in eine dauernd bestehende Gleichspannung umgewandelt wer- den.

Die Figur 1 zeigt Schienen einer Gleichstrombahn 10, die über mindestens ein schaltbares Halbleiterelement 32 mit dem Erdreich 2 verbunden sind. Das mindestens eine schaltbare Halb- leiterelement 32 weist ein invers-paralleles Thyristorenpaar 15,17 und Dioden 14,16 auf. Weiterhin sind Widerstände 3 und 4 parallel zu dem mindestens einen schaltbaren Halbleiterelement 32 angeordnet. Auch ein Leistungsschütz bzw. Schalter 13 ist zu dem mindestens einen schaltbaren Halbleiterelement 32 parallel angeordnet.

Parallel zu dem Widerstand 4 ist ein Trennverstärker zur Ent koppelung der Messanordnung 1 vom Schienenpotential und zur Verstärkung des Eingangssignals der Messelektronik vorgesehen. Dem Trennverstärker 5 ist eine Diodengleichrichterschal tung 6 mit Dioden 7 nachgeschaltet. Die Diodengleichrichter- schaltung 6 ist durch ein gestricheltes Kästchen angedeutet.

Der Diodengleichrichterschaltung 6 ist die Speichereinrich- tung 33 mit einem ersten Widerstand 18 und einem zweiten Widerstand 9 sowie einem Kondensator 8 nachgeschaltet. Dabei sind der Kondensator 8 und der Widerstand 9 parallel geschaltet . Zur Verwendung in Spannungsbegrenzungseinrichtungen von Gleichstrombahnen sollte die Kapazität des Kondensators so auf die in der Schaltung verwendeten Widerstände angepasst sein, dass die Speichereinrichtung im Frequenzbereich der WechselSpannung von Bahnstromanlagen zuverlässig arbeitet. Dieser Frequenzbereich erstreckt sich beispielsweise zwischen 10 Hz und 100 Hz, insbesondere zwischen 16,7 Hz und 60 Hz. Erreicht wird eine zuverlässige Funktionsweise in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Kondensator 8 mit einer Kapazität von 0,33 ]iF , einem ersten Widerstand 18 mit 10 Ohm und einem zweiten Widerstand 9 mit 470 kOhm.

Weiterhin schließt sich eine Auswerteeinrichtung 31 an, die eine Eingangselektronik 11 sowie eine Steuerung 12 aufweist. Die Steuerung 12 ist dafür geeignet, über die Verbindung 30 den Schalter 13 zu steuern.

Im Folgenden soll nun kurz die Funktionsweise der in der Figur dargestellten Messanordnung 1 beschrieben werden: Verlaufen an einer Bahnstromversorgungsanlage Schienen 10 einer Gleichstrombahn in der Nähe oder parallel zu Schienen einer Wechselstrombahn (nicht gezeigt) , so kann der Fall auftreten, dass in den Schienen 10 der Gleichstrombahn 10 eine Wechsel Spannung 34 induziert wird.

Bei einem offenen Schalter 13 fließt zunächst kein Strom zwischen den Schienen 10 und der Erde 2; das Schienenpotential wird nicht abgebaut. Erst bei Überschreiten einer bestimmten Spannung, der so genannten Zündspannung, wird die Thyristorenanordnung 32, bestehend aus den Thyristoren 17 und 15 und den Dioden 14 und 16 leitend geschaltet. Wenn die Thyristorenanordnung 32 leitend geschaltet ist, wird das Schienenpotential abgebaut und ein Potentialausgleich mit der Erde 2 durchgeführt.

Dabei tritt jedoch das Problem auf, dass die Thyristorenanordnung 32 die Wechsel Spannung jeweils erst dann ausgleicht, wenn die Zündspannung der Thyristoren 15 und 17 überschritten wird. Hierdurch ergibt sich ein Muster periodisch wiederkehrender Spannungsspitzen in Höhe der Zündspannung der Thyristorenanordnung 32 (vgl. Figur 3) , welches zu so kurzen Spannungsspitzen führt, dass diese nicht mittels einer her- kömmlichen Steuereinrichtung erkannt werden können und daher auch nicht durch Schließen des Schalters 13 abgebaut werden können. Dies kann insbesondere zu unzulässig hohen Berührungsspannungen an der Schiene 10 führen.

Um solche Wechselspannungsanteile mit Spannungsspitzen zu erkennen, ist die Messanordnung gemäß der Figur 1 vorgesehen. Der Trennverstärker 5 verstärkt die Wechselspannungssignale und bewirkt gleichzeitig eine galvanische Trennung zwischen der Verbindung Schiene 10 und Erde 2 und der Messelektronik, die dem Trennverstärker 5 nachgeschaltet ist. Dies ist notwendig, um beim Auftreten von hohen Spannungen eine Beschädigung der Messelektronik zu verhindern. Das Ausgangssignal des Trennverstärkers 5 wird in dem Diodengleichrichter 6 mit Hil- fe der Dioden 7 gleichgerichtet und über den Widerstand 18 auf den Kondensator 8 geladen. Der Kondensator 8 kann das Signal der Spannungsspitzen über den Widerstand 9 auf die Auswerteeinrichtung 31 übertragen, die mit einer Eingangselektronik 11 und einer Steuerung 12 versehen ist. Durch das Speichern der kurzen Spannungsspitzen in dem Kondensator wird eine Verlängerung der Spannungsspitzensignale bewirkt; es ergibt sich länger dauernde oder sogar dauernd bestehende

Gleichspannung (vgl. Figur 4), die mittels einer herkömmlichen Messelektronik mit einer Messrate im ms-Bereich in der Auswerteeinrichtung 31 vergleichsweise einfach und günstig erkannt werden kann. Die Steuerung kann dann den Schalter 13 Schließen, um die erkannte WechselSpannung und insbesondere die periodisch auftretenden Spannungsspitzen abzubauen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch bei Auftreten von Mischspannungen, d. h. Wechselspannungsanteilen im Schienenpotential einer Gleichstrombahnanlage, keine unzulässig hohen Berührungsspannungen an der Schiene auftreten.

Die Figur 2 zeigt die gleiche Messanordnung wie die Figur 1 - mit dem Unterschied, dass in der Figur 2 die Messanordnung 22 nicht mit einem Trennverstärker 5 ausgestattet ist, sondern stattdessen als Überspannungsschutz für die nachgeschaltete Messelektronik zwei Varistoren oder Zenerdioden 20 und 21 aufweist. Diese Konfiguration ist im Vergleich zur Messanordnung 1 in der Figur 1 deutlich kostengünstiger. Die Messelektronik wird auf diese Weise durch Varistoren oder Zener- dioden 20 und 21 vor zu hohen Spannungen, die oberhalb der Zündspannung der Thyristoren liegen, geschützt.

Die Figur 3 zeigt ein Wechselspannungssignal 34 auf der Spannungsachse U [Volt], das auf der Zeitachse T [Sekunden] gegen die Zeit aufgetragen ist. Das Wechselspannungssignal 34 wird im Schienenpotential einer Gleichstrombahn detektiert. Bei Verwendung einer herkömmlichen Spannungsbegrenzungseinrich- tung mit invers-parallelen Thyristoren ergibt sich nun, dass bei Erreichen der Zündspannung der Thyristoren jeweils die WechselSpannung abgebaut wird, da die Spannungsbegrenzungs- einrichtung dann Schiene und Erdreich kurzschließt. Hierdurch ergeben sich kurze und periodisch beim Nulldurchgang des Wechselspannungssignals auftretende kurze Spannungsspitzen 35, deren Amplitude der Zündspannung der Thyristorenanordnung entspricht .

In der Figur 4 ist auf den gleichen Achsen U,T ein gleichgerichtetes Wechselspannungssignal 40 zu sehen, das mittels der erfindungsgemäßen Messanordnung detektiert wird. Die Spannungsspitzen 35 aus Figur 3 werden durch die Gleichrichter- einrichtung gleichgerichtet und es ergeben sich die periodisch auftretenden Spannungsspitzen 40. Diese Spannungsspitzen 40 werden in ein länger dauerndes Gleichspannungssignal 41 umgewandelt, welches in der erfindungsgemäßen Messanordnung leicht und sicher zu detektieren ist.